열전시스템의 냉각 능력은 대기온도, 열 부하의 특성, 모듈의 최적 전류, 방열시스템 등의 매우 많은 조건들에 의해 좌우됩니다. 주변 온도가 75℃이고, hot side의 온도를 35℃까지 내리는데 필요한 THot는 이론적으로 얻을 수 있습니다 (이는 열전소자 자체에 의한 온도 강하이고, hot side 온도가 주변 온도 이상으로 상승하는 것과 같은 시스템 자체에서의 손실은 무시하였습니다)
그러나 이런 이론적인 최대치는 실제의 시스템에 있어서는 불가능합니다. 일반적인 응용품에서 단층 열전모듈을 사용하였을 때의 온도차는 위의 이론값의 절반 정도입니다. 더 낮은 온도로의 냉각이 필요하다면 다층 모듈이나 단층 모듈을 여러 개 연결한 시스템이 필요하고, 아니면 다른 기술을 열전모듈에 덧붙여 응용해야 합니다.
예를 들면 더 낮은 hot side 온도를 얻기 위해서 컴프레서 방식으로 hot side를 냉각시킬 수 있습니다. 그렇지만, 극도로 낮은 온도 조건에서 모듈을 작동시킬 경우, 열전모듈의 효율은 떨어지게 됩니다. 다단계 열전모듈의 경우는 더 큰 온도차를 낼 수 있음에도 불구하고 일단 모듈에 비해서 더 적은 흡열량을 갖고 훨씬 비쌉니다.
2. 열전소자로 얼마만큼의 가열이 가능합니까?
가열능력은 전적으로 열전모듈을 제조할 때에 사용한 solder의 용융 온도에 의해서 결정됩니다. 표준형의 열전 모듈은 보통 100℃ 정도 가열할 수 있는 능력을 갖지만 당사는 200℃까지의 온도범위에서도 사용가능한 열전모듈을 개발하였습니다.
사용자가 hot side의 온도를 특정비율 이하로 유지하는 것은 매우 중요합니다. solder가 용융되어 반도체소자 쪽으로 역류한다면 열전소자는 효율이 떨어지거나 그 수명을 다하게 되기 때문입니다
3. 열전시스템은 단지 공기를 가열하거나 냉각하는데 만 사용됩니까?
아닙니다. 열전시스템은 종종 액체나 기체 모두에 사용될 수 있도록 설계되기도 합니다. 고체의 경우는 열전모듈에 직접 부착하지만, 액체의 경우는 일반적으로 알루미늄이나 구리로 제작되어 Peltier 모듈에 부착된 열 교환기를 순환하도록 설계됩니다
이 특성 값은 모듈이 견딜 수 있는 최대치의 전류를 의미하는 것이 아닙니다. 이는 일반적인 사람들의 생각과는 전혀 다릅니다. Imax는 열전 모듈에서 최대 온도차를 낼 수 있는 직류 전류의 크기입니다. Imax이하에서 모듈을 동작시키면 원하는 온도를 얻을 수 없습니다. Imax이상의 전류를 흘리면, 열전소자 내부에서 생기는 Joule열이 모듈의 온도를 상승시키고 결과적으로 온도차를 감소시키게 됩니다.
Imax는 Vmax 와 동시에 측정됩니다. 즉, Imax는 모듈에 Vmax를 걸어줄 때 흐르는 전류입니다. Vmax와는 다르게 Imax는 특별히 온도에 의존하지 않고 소자를 사용하는 주변 온도에 관계없이 일정한 상수를 갖는 경향이 있습니다
6. Qmax는 무엇입니까?
Qmax는 실제적인 의미가 명확하지 않기 때문에, 열전 분야에서는 매우 혼돈되는 특성 중의 하나입니다. 이 물성의 정의는 실제적입니다. 주어진 열전 시스템에서 열 부하가 증가함에 따라 결과적으로 △T는 감소합니다. 예를 들자면, 어떤 주어진 금속 구조물에서 열 부하가 30W일 때보다 40W일 때 더 낮은 △T를 얻게 될 겁니다. 임의 부하 특성에서 온도차가 0으로 감소했을 경우, 이 경우의 부하를 Qmax라 하고, watt의 단위로 나타냅니다.
이 특성 Qmax가 모듈에서 다루어지는 최대 열량을 나타내는 것은 아니라는 것을 알아두십시오. 만약 열 부하가 Qmax를 넘어선다면 흡열은 할 수 없게 되고, 단지 그 열 부하에 의해 특성 표에서 Qmax의 가장 적절한 값은 실행 그래프에서 ‘load lines'의 끝점으로 통상 사용됩니다.
8. 열전 기술을 사용하면 얼마나 정확하게 온도를 조절할 수 있습니까?
적절하게 조절되고, 잘 설계된 안정상태의 controller를 사용하면 (일반적으로 PID controller를 사용했을 때), 설정된 온도에서 0.1℃의 범위 내로 온도를 조절하는 것이 가능합니다 (물론 이 경우는 외부 환경으로부터의 큰 간섭이 없는 경우겠지요!)
온도 안정성을 간접적으로 측정하는 방법으로는 몇 백 도 범위 안에서 (천도까지도 가능합니다) 안정성을 얻을 수 있습니다. 물론, 안정 가능성을 논할 때 온도 구배를 생기게 할 열 부하 스트레스를 주는 것은 중요합니다. 그리고 부하의 일부분은 디지털 표시부분에 나타나는 숫자의 정확성에 상관없이 설정 온도로부터 변동되어 나타납니다. 또한 전체 부하에 있어서 동등한 응답을 기대할 수 없습니다. 설계자는 설정 온도의 이동이나 보정 손실 같은 장기간의 미묘한 문제들에 대하여 많이 신경을 써야 합니다.
그렇기는 합니다. 그러나 단지 두 개의 서로 다른 열전모듈을 단순히 위아래로 쌓기만 해서는 안 됩니다. 두 번째 모듈은 열 부하로 인한 열과 함께 자기 스스로의 저항에 의한 열뿐 아니라 첫 번째 모듈에서 나오는 방출열도 뽑아내야 합니다. 이는 비용이라는 측면에서 매우 민감한 사안이기 때문에 두 번째 모듈에 비해 첫 번째 모듈의 크기는 통상적으로 작게 설계됩니다. 모듈을 쌓을 때 주의할 점은 전체 계단 모듈의 흡열 능력(W)이 가장 작은 모듈에 의해서 제한된다는 사실입니다. 즉, △T는 커지지만 흡열량은 줄어드는 것이죠.
열전소자의 외부 ceramic 기판의 온도를 모듈이 동작하는 동안에 가능한 한 정학하게 측정하는 일은 매우 중요한 일입니다. 온도센서는 외부가 sealing되지 않고 매우 가는 것을 선택하는 것이 좋으며 열전 모듈이 부착될 heat sink나 block의 표면에 가는 홈을 만들어 그 속에 센서의 위치를 선택하는 것이 바람직합니다. 이렇게 하면 모듈의 중심에 아주 근접한 위치에 열전쌍을 부착할 수 있습니다. 물론, 열전쌍의 노출된 끝 부분을 제외하고 와이어의 홈을 따라 연결된 나머지 부분은 전기적으로 절연이 되어있어야 합니다. 또한 열전쌍은 반드시 열전도성 접착제를 사용하여 홈에 꼭 맞게 부착해야 하고, 부착 면은 불필요한 접착제나 찌꺼기가 없도록 깨끗하게 닦아내야 합니다.
원하는 온도를 얻으려고 아주 가는 열전쌍을 모듈 안쪽으로 집어넣으시는 분들도 계시지만 별로 좋은 방법은 아닙니다. 첫 번째로, 모듈의 안쪽에 열전쌍을 제대로 부착하기가 어렵습니다. 그리고 이런 기계적인 조작이 모듈의 성능을 심각하게 손상시킬 수도 있습니다. 또한, 내부에서의 절연이 없으면 열전쌍은 세라믹 기판과 열전소자 내부의 공기온도 사이에서 생기는 열 구배를 갖게 됩니다. 열전 모듈 내부에서의 열 구배는 온도를 읽는데 정확성을 떨어뜨립니다.